RU2134427C1

RU2134427C1 - Inclinometer (versions)

Info

Publication number: RU2134427C1
Application number: RU98106171A
Authority: RU
Inventors: Б.М. Смирнов
Original assignee: Смирнов Борис Михайлович
Priority date: 1998-03-25
Filing date: 1998-03-25
Publication date: 1999-08-10

Abstract

FIELD: geophysics, geomagnetic navigation. SUBSTANCE: inclinometer can be used in well logging to determine angular position of borehole and body of inclinometer, in geomagnetic navigation to specify heading of vessel. Inclinometer includes body with gimbal frame placed inside it which rotation axis is collinear to longitudinal axis of body, weight/eccentric put on gimbal frame, two single-component magnetosensitive pickups positioned on gimbal frame and made fast to body, three single-component magnetosensitive pickups with mutually orthogonal sensitivity axes. In accordance with first variant inclinometer has three-component pickup of accelerometer made fast to body. In agreement with second variant inclinometer has single-component pickup of accelerometer made fast to body. In correspondence with third variant inclinometer includes single-component magnetosensitive pickup and single-component pickup of accelerometer made fast to body. EFFECT: simplified design, reduced mass and improved capability to establish angular position of body of inclinometer. 3 cl, 3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в нефтепромысловой геофизике для определения углового положения буровой скважины и корпуса инклинометра, а также в геомагнитной навигации для определения курса судна. The present invention relates to the field of measuring equipment and can be used in oilfield geophysics to determine the angular position of the borehole and the inclinometer body, as well as in geomagnetic navigation to determine the course of the vessel.

Известно устройство для определения углового положения буровой скважины (Ковшов Г. Н. , Сергеев А.Н. Цифровой преобразователь азимута с непрерывной регистрацией. /Геофизическая аппаратура. Л.: Недра, 1980, вып. 70, с. 110-115). Известное устройство состоит из наземного пульта и корпуса инклинометра (скважинного снаряда) с размещенными в нем наружной карданной рамкой с эксцентричным смещением центра тяжести, ось которой коаксиальна продольной оси цилиндрического корпуса инклинометра, корпусом внутренней карданной рамки, закрепленным на оси наружной карданной рамки, внутренней карданной рамки, ось которой закреплена на корпусе этой же рамки, двумя феррозондами с взаимно ортогональными осями чувствительности к вектору магнитной индукции, один из которых закреплен во внутренней карданной рамке с возможностью удержания оси этого феррозонда в горизонтальной плоскости и перпендикулярно оси вращения внутренней рамки, а второй феррозонд закреплен в наружной карданной рамке. Наземный пульт известного устройства состоит из источника стабильной частоты, двух идентичных каналов обработки сигналов с феррозондов и устройства преобразования сигнала азимута в градусной мере. A device is known for determining the angular position of a borehole (Kovshov G.N., Sergeev A.N. Digital azimuth converter with continuous recording. / Geophysical equipment. L .: Nedra, 1980, issue 70, p. 110-115). The known device consists of a ground control panel and an inclinometer body (downhole tool) with an external cardan frame placed therein with an eccentric displacement of the center of gravity, the axis of which is coaxial with the longitudinal axis of the cylindrical inclinometer body, an internal cardan frame fixed to the axis of the external cardan frame, internal cardan frame , the axis of which is fixed on the housing of the same frame, by two fluxgates with mutually orthogonal axes of sensitivity to the magnetic induction vector, one of which is closed captured in the inner gimbal frame to hold the axis of the flux gate in the horizontal plane and perpendicular to the axis of rotation of the inner frame, and a second flux gate is mounted in an outer gimbal frame. The ground panel of the known device consists of a source of stable frequency, two identical channels for processing signals from flux gates and a device for converting an azimuth signal in a degree measure.

Известное устройство работает следующим образом. Продольная ось инклинометра, находящегося в буровой скважине, совпадает с направлением скважины. В наклонной скважине наружная карданная рамка, поворачиваясь, устанавливает ось вращения внутренней карданной рамки перпендикулярно к плоскости наклона скважины. После того, как рамки установятся, оси обоих феррозондов будут находиться в горизонтальной плоскости, при этом ось феррозонда, закрепленного в наружной рамке, будет перпендикулярна плоскости наклона, а ось второго феррозонда - параллельна плоскости наклона, которая проходит через продольную ось инклинометра и вертикальную ось, пересекающую продольную ось инклинометра. С помощью источника стабильной частоты осуществляется перемагничивание магниточувствительных элементов феррозондов. В результате этого под действием горизонтальной составляющей геомагнитного поля в феррозондах возникают информационные напряжения вторых гармоник, амплитуды которых пропорциональны синусу и косинусу азимутального угла. Эти напряжения усиливаются, детектируются и модулируются двумя каналами обработки сигналов феррозондов. Промодулированные сигналы подаются на устройство преобразования сигнала в азимутальный угол в градусной мере, регистрация которого осуществляется блоком индикации этого устройства. The known device operates as follows. The longitudinal axis of the inclinometer located in the borehole coincides with the direction of the well. In an inclined well, the outer universal joint frame, turning, sets the axis of rotation of the internal universal joint frame perpendicular to the plane of inclination of the well. After the frames are installed, the axes of both fluxgates will be in a horizontal plane, while the axis of the fluxgate mounted in the outer frame will be perpendicular to the inclination plane, and the axis of the second fluxgate will be parallel to the inclination plane, which passes through the longitudinal axis of the inclinometer and the vertical axis, crossing the longitudinal axis of the inclinometer. With the help of a stable frequency source, magnetization reversal of magnetically sensitive elements of flux gates is carried out. As a result of this, under the action of the horizontal component of the geomagnetic field, information voltages of the second harmonics arise in the flux gates, the amplitudes of which are proportional to the sine and cosine of the azimuthal angle. These voltages are amplified, detected and modulated by two channels for processing flux-gate signals. The modulated signals are fed to the device for converting the signal to an azimuth angle in a degree measure, the registration of which is carried out by the display unit of this device.

Известное устройство отличается сложностью конструкции, в состав которого входят два феррозондовых магнитометра и система двух подвижных элементов, чувствительных к вектору силы тяжести, выполненных в виде двух карданных рамок, которые с закрепленными на них феррозондовыми датчиками должны быть тщательно установлены по плавучести и дифференту. Погрешности балансировки карданных рамок, отклонение каждой из рамок от положения равновесия в процессе бурения скважины и частоты собственных колебаний рамок - все это приводит к погрешности определения углового положения корпуса известного устройства, а, значит, и углового положения скважины, в частности азимутального угла скважины (Ковшов Г.Р., Солонина Н.Н. Увеличение виброустойчивости преобразователя угла установки отклонения. /Геофизическая аппаратура. Л.: Недра, 1984, вып. 79, с. 105-109). The known device is notable for the complexity of the design, which includes two fluxgate magnetometers and a system of two movable elements sensitive to the gravity vector, made in the form of two cardan frames, which, with fluxgate sensors attached to them, must be carefully installed for buoyancy and trim. The errors of balancing the gimbal frames, the deviation of each of the frames from the equilibrium position during the drilling of the well and the natural frequency of the oscillations of the frames - all this leads to errors in determining the angular position of the body of the known device, and, therefore, the angular position of the well, in particular the azimuthal angle of the well (Kovshov GR, Solonina NN Increase of vibration resistance of the angle deviation angle transducer. / Geophysical equipment. L .: Nedra, 1984, issue 79, pp. 105-109).

Известен инклинометр (авт. св. N 804822, 1981, БИ N 6), который по совокупности существенных признаков наиболее близок предлагаемому и принят за прототип. Известный инклинометр состоит из корпуса инклинометра; трехкомпонентного магниточувствительного датчика, размещенного в карданной рамке с одной степенью свободы относительно вращения этой рамки вокруг продольной оси корпуса инклинометра; груза-эксцентрика, закрепленного к карданной рамке; двух карданных подвесов, закрепленных на упомянутой карданной рамке с одной степенью свободы; двух однокомпонентных магниточувствительных датчиков, каждый из которых размещен на соответствующем карданном подвесе. При этом один однокомпонентный датчик размещен на карданном подвесе с возможностью измерения горизонтальной, а второй однокомпонентный датчик размещен на втором карданном подвесе с возможностью измерения вертикальной составляющих вектора магнитной индукции геомагнитного поля. С помощью груза-эксцентрика одна из осей чувствительности трехкомпонентного датчика ориентирована соосно продольной оси корпуса инклинометра, а вторая ось чувствительности этого датчика перпендикулярна осям чувствительности датчиков, размещенных на карданных подвесах. Все рамки с датчиками размещены в корпусе инклинометра. Known inclinometer (ed. St. N 804822, 1981, BI N 6), which in terms of the set of essential features is closest to the proposed and adopted as a prototype. Known inclinometer consists of an inclinometer body; a three-component magnetosensitive sensor placed in a cardan frame with one degree of freedom with respect to the rotation of this frame around the longitudinal axis of the inclinometer body; eccentric load fixed to the gimbal frame; two cardan suspensions mounted on said cardan frame with one degree of freedom; two one-component magnetosensitive sensors, each of which is placed on the corresponding gimbal. In this case, one one-component sensor is placed on a gimbal suspension with the possibility of measuring horizontal, and the second one-component sensor is placed on a second gimbal suspension with the ability to measure the vertical components of the geomagnetic field magnetic induction vector. Using the eccentric load, one of the sensitivity axes of the three-component sensor is oriented coaxially to the longitudinal axis of the inclinometer body, and the second sensitivity axis of this sensor is perpendicular to the sensitivity axes of the sensors located on the gimbal suspensions. All frames with sensors are located in the body of the inclinometer.

Известный инклинометр работает следующим образом. Под действием груза-эксцентрика, жестко связанного с карданной рамкой, которая может вращаться вокруг продольной оси корпуса инклинометра, трехкомпонентный датчик устанавливается так, что одна ось чувствительности датчика остается соосной с продольной осью корпуса инклинометра, вторая ось чувствительности трехкомпонентного датчика будет перпендикулярна к продольной оси корпуса инклинометра, а значит и к оси скважины и находится в плоскости наклона корпуса инклинометра (в плоскости наклона скважины), а третья ось чувствительности этого датчика остается ортогональной к первой и второй осям. Один из однокомпонентных датчиков находится в карданном подвесе и под действием груза устанавливается вертикально, а второй однокомпонентный датчик находится на втором карданном подвесе и под действием груза занимает горизонтальное положение. Таким образом, в известном инклинометре осуществляется измерение вертикальной и двух взаимно ортогональных горизонтальных составляющих вектора магнитной индукции геомагнитного поля. Вертикальная ось первого однокомпонентного датчика коллинеарна оси, выбранной опорной системы координат, направленной вниз. Вторая ось, выбранной опорной системы координат, направлена по касательной к магнитному меридиану в сторону севера. Направление этой оси определяют по направлению горизонтальной составляющей вектора магнитной индукции геомагнитного поля, равной векторной сумме двух измеренных горизонтальных составляющих вектора магнитной индукции. Третья ось, выбранной опорной системы координат, перпендикулярна первым двум направлениям и ориентирована в сторону востока. По сигналам с датчиков, пропорциональных составляющим вектора магнитной индукции геомагнитного поля на оси чувствительности датчиков, определяют расчетным путем азимутальный и зенитный углы корпуса инклинометра, а следовательно, и скважины, в которой находится корпус инклинометра. Known inclinometer works as follows. Under the action of the eccentric load, rigidly connected to the cardan frame, which can rotate around the longitudinal axis of the inclinometer case, the three-component sensor is installed so that one axis of the sensor’s sensitivity remains coaxial with the longitudinal axis of the inclinometer’s body, the second sensitivity axis of the three-component sensor will be perpendicular to the longitudinal axis of the case inclinometer, and hence to the axis of the well, is located in the plane of inclination of the body of the inclinometer (in the plane of the inclination of the well), and the third axis of sensitivity is first sensor is orthogonal to the first and second axes. One of the one-component sensors is located in the gimbal and, under the influence of the load, is mounted vertically, and the second one-component sensor is on the second gimbal and, under the influence of the load, is horizontal. Thus, in the known inclinometer, the vertical and two mutually orthogonal horizontal components of the magnetic induction vector of the geomagnetic field are measured. The vertical axis of the first one-component sensor is collinear to the axis of the selected reference coordinate system directed downward. The second axis of the selected reference coordinate system is directed tangentially to the magnetic meridian towards the north. The direction of this axis is determined by the direction of the horizontal component of the magnetic induction vector of the geomagnetic field equal to the vector sum of the two measured horizontal components of the magnetic induction vector. The third axis of the selected reference coordinate system is perpendicular to the first two directions and is oriented towards the east. The signals from the sensors, proportional to the components of the magnetic induction vector of the geomagnetic field on the sensitivity axis of the sensors, determine the azimuth and zenith angles of the inclinometer body and, consequently, the well in which the body of the inclinometer is located, by calculation.

В состав известного инклинометра входят три подвижных элемента, чувствительных к направлению вектора силы тяжести выполненных в виде наружной карданной рамки и двух карданных подвесов, на которых размещены один трехкомпонентный и два однокомпонентных магниточувствительные датчики. Погрешности балансировки карданных подвесов от положения равновесия в процессе бурения скважины и частоты собственных колебаний карданных подвесов - все это приводит к погрешности определения углового положения корпуса инклинометра, а значит и углового положения скважины (Ковшов Г.Н., Солонина Н.Н. Увеличение виброустойчивости преобразователя угла установки отклонителя. /Геофизическая аппаратура. Л. : Недра, 1984, вып. 79, с. 105-109). Наличие карданных подвесов приводит к увеличению веса инклинометра. Кроме того, известное техническое решение не обеспечивает определение апсидального угла, а значит не обеспечивает в полной мере определение углового положения корпуса инклинометра. Карданные подвесы в известном техническом решении, закрепленные на карданной рамке с осью вращения, совпадающей с продольной осью корпуса инклинометра, не обеспечивают возможности бурения скважины, у которой зенитный угол должен изменяться в процессе бурения от 0^o до 180^o. Так, например, бурение двух скважин, начинающихся с вертикальных направлений, а затем переходом на горизонтальные направления в нефтеносном слое с целью соединения этих скважин, требует высокой точности определения азимутального и зенитного углов этих скважин. Так, если погрешность определения азимутального угла равна 2^o, то на расстоянии 2000 м от двух вертикальных скважин погрешность расхождения горизонтальных скважин может составить 70 м. Для бурения такой скважины можно было бы использовать один инклинометр при возможности измерения зенитного угла в пределах от 0^o до 180^o.The composition of the known inclinometer includes three movable elements that are sensitive to the direction of the gravity vector made in the form of an external cardan frame and two cardan suspensions, on which one three-component and two one-component magnetosensitive sensors are placed. The errors of balancing the gimbal suspensions from the equilibrium position during the drilling of the well and the frequency of natural vibrations of the gimbal suspensions - all this leads to an error in determining the angular position of the inclinometer body, and hence the angular position of the well (Kovshov G.N., Solonina N.N. Increasing the vibration resistance of the converter the angle of the deflector. / Geophysical apparatus. L.: Nedra, 1984, issue 79, pp. 105-109). The presence of gimbal suspensions leads to an increase in the weight of the inclinometer. In addition, the known technical solution does not provide the determination of the apsidal angle, and therefore does not fully determine the angular position of the inclinometer body. Gimbal suspensions in a known technical solution, mounted on a gimbal frame with an axis of rotation coinciding with the longitudinal axis of the inclinometer body, do not provide for the possibility of drilling a well whose zenith angle must change from 0 ^o to 180 ^o during drilling. So, for example, drilling two wells, starting from vertical directions, and then moving to horizontal directions in the oil layer in order to connect these wells, requires high accuracy in determining the azimuth and zenith angles of these wells. So, if the error in determining the azimuthal angle is 2 ^o , then at a distance of 2000 m from two vertical wells, the error in the divergence of horizontal wells can be 70 m. For drilling such a well, one inclinometer could be used if it is possible to measure the zenith angle from 0 ^o to 180 ^o .

Задачей предлагаемого изобретения является создание инклинометра, отличающегося от известных простотой конструкции, меньшим весом, обеспечивающего измерение углового положения скважины, у которой зенитный угол может изменяться в пределах от 0^o до 180^o, а также возможностью определения углового положения корпуса инклинометра.The objective of the invention is the creation of an inclinometer that differs from the known simplicity of design, less weight, providing a measurement of the angular position of the well, in which the zenith angle can vary from 0 ^o to 180 ^o , as well as the ability to determine the angular position of the body of the inclinometer.

Поставленная задача решается за счет использования одной карданной рамки с осью вращения, коллинеарной продольной оси корпуса инклинометра, измерении составляющих вектора магнитной индукции геомагнитного поля двумя однокомпонентными магниточувствительными датчиками, размещенными на карданной рамке, и тремя однокомпонентными магниточувствительными датчиками, жестко связанными с корпусом инклинометра, а также измерении составляющих вектора ускорения силы тяжести трехкомпонентным датчиком акселерометра, жестко связанным с корпусом инклинометра. Кроме того, поставленная задача решается и за счет измерения составляющих вектора магнитной индукции геомагнитного поля двумя однокомпонентными датчиками, Размещенными на карданной рамке, тремя однокомпонентными магниточувствительными датчиками, жестко связанными с корпусом инклинометра, и измерении составляющей вектора ускорения силы тяжести однокомпонентным датчиком акселерометра, жестко связанного с корпусом инклинометра. Поставленная задача, исключающая только определение углового положения корпуса инклинометра, решается за счет измерения составляющих вектора магнитной индукции геомагнитного поля двумя однокомпонентными магниточувствительными датчиками, размещенными на карданной рамке корпуса инклинометра, и однокомпонентными датчиком акселерометра и магниточувствительным датчиком, жестко связанным с корпусом инклинометра. The problem is solved by using one cardan frame with the axis of rotation, the collinear longitudinal axis of the inclinometer body, measuring the components of the geomagnetic field magnetic induction vector by two one-component magnetosensitive sensors placed on the cardan frame, and three one-component magnetosensitive sensors rigidly connected to the inclinometer body, as well as measuring the components of the gravity acceleration vector with a three-component accelerometer sensor, rigidly connected to the housing m inclinometer. In addition, the problem is solved by measuring the components of the magnetic induction vector of the geomagnetic field with two one-component sensors, Placed on a gimbal frame, three one-component magnetosensitive sensors rigidly connected to the inclinometer body, and measuring the component of the gravity vector with a one-component accelerometer sensor, rigidly connected with inclinometer case. The task, which excludes only the determination of the angular position of the inclinometer case, is solved by measuring the components of the geomagnetic field magnetic induction vector by two one-component magnetosensitive sensors placed on the cardan frame of the inclinometer, and a one-component accelerometer sensor and magnetically sensitive sensor rigidly connected to the inclinometer case.

Предлагаемое изобретение представляет три устройства (инклинометра), связанных между собой настолько, что они образуют единый изобретательский замысел. The present invention represents three devices (inclinometer), interconnected so much that they form a single inventive concept.

Предлагаемый инклинометр (по первому варианту), включающий корпус инклинометра с размещенной в нем карданной рамкой, ось вращения которой коллинеарна продольной оси корпуса инклинометра, груз-эксцентрик, размещенный на карданной рамке, два однокомпонентных магниточувствительных датчика, размещенных на карданной рамке, ось чувствительности одного из которых перпендикулярна плоскости, проходящей через ось вращения карданной рамки и центр тяжести груза-эксцентрика, а ось чувствительности второго - перпендикулярна оси чувствительности первого датчика и оси вращения карданной рамки, третий однокомпонентный магниточувствительный датчик, ось чувствительности которого коллинеарна оси вращения карданной рамки, четвертый и пятый однокомпонентные магниточувствительные датчики с взаимно ортогональными осями чувствительности, снабжен трехкомпонентным датчиком акселерометра с взаимно ортогональными осями чувствительности и распределителем напряжений, который подключен к выводам первого и второго магниточувствительных датчиков, при этом третий, четвертый, пятый магниточувствительные датчики и трехкомпонентный датчик акселерометра жестко связаны с корпусом инклинометра, ось чувствительности третьего датчика перпендикулярна осям чувствительности четвертого и пятого датчиков, а одна из осей чувствительности акселерометра коллинеарна оси вращения карданной рамки. The proposed inclinometer (according to the first embodiment), including the inclinometer case with a cardan frame located in it, the axis of rotation of which is collinear to the longitudinal axis of the inclinometer body, an eccentric load placed on the cardan frame, two one-component magnetosensitive sensors placed on the cardan frame, the sensitivity axis of one of which are perpendicular to the plane passing through the axis of rotation of the propeller frame and the center of gravity of the eccentric load, and the sensitivity axis of the second is perpendicular to the sensitivity axis the first sensor and the axis of rotation of the cardan frame, the third one-component magnetosensitive sensor, the sensitivity axis of which is collinear to the axis of rotation of the cardan frame, the fourth and fifth one-component magnetosensitive sensors with mutually orthogonal sensitivity axes, is equipped with a three-component accelerometer sensor with mutually orthogonal sensitivity axes and a voltage distributor that is connected to the conclusions of the first and second magnetosensitive sensors, while the third, fourth, fifth magnet Sensitive sensors and a three-component accelerometer sensor are rigidly connected to the inclinometer body, the sensitivity axis of the third sensor is perpendicular to the sensitivity axes of the fourth and fifth sensors, and one of the sensitivity axes of the accelerometer is collinear to the axis of rotation of the cardan frame.

Предлагаемый инклинометр (по второму варианту), включающий корпус инклинометра с размещенной в нем карданной рамкой, ось вращения которой коллинеарна продольной оси корпуса инклинометра, груз-эксцентрик, размещенный на карданной рамке, два однокомпонентных магниточувствительных датчика, размещенных на карданной рамке, ось чувствительности одного из которых перпендикулярна плоскости, проходящей через ось вращения карданной рамки и центр тяжести груза-эксцентрика, а ось чувствительности второго перпендикулярна оси чувствительности первого датчика и оси вращения карданной рамки, третий однокомпонентный магниточувствительный датчик, ось чувствительности которого коллинеарна оси вращения карданной рамки, четвертый и пятый однокомпонентные магниточувствительные датчики с взаимно ортогональными осями чувствительности, снабжен однокомпонентным датчиком акселерометра, ось чувствительности которого коллинеарна оси вращения карданной рамки, и распределителем напряжений, который подключен к выводам первого и второго магниточувствительных датчиков, при этом третий, четвертый, пятый магниточувствительные датчики и датчик акселерометра жестко связаны с корпусом инклинометра, а ось чувствительности третьего датчика перпендикулярна осям чувствительности четвертого и пятого датчиков. The proposed inclinometer (according to the second embodiment), including the inclinometer case with a cardan frame placed in it, the axis of rotation of which is collinear to the longitudinal axis of the inclinometer body, an eccentric load placed on the cardan frame, two one-component magnetosensitive sensors placed on the cardan frame, the sensitivity axis of one of which are perpendicular to the plane passing through the axis of rotation of the cardan frame and the center of gravity of the eccentric load, and the sensitivity axis of the second is perpendicular to the sensitivity axis the first sensor and the axis of rotation of the cardan frame, the third one-component magnetosensitive sensor, the sensitivity axis of which is collinear to the axis of rotation of the cardan frame, the fourth and fifth one-component magnetosensitive sensors with mutually orthogonal axes of sensitivity, is equipped with a one-component accelerometer sensor, the sensitivity axis of which is collinear and the axis of rotation of the cardan frame voltage, which is connected to the terminals of the first and second magnetosensitive sensors, while the third, the fourth, fifth magnetosensitive sensors and the accelerometer sensor are rigidly connected to the inclinometer body, and the sensitivity axis of the third sensor is perpendicular to the sensitivity axes of the fourth and fifth sensors.

Предлагаемый инклинометр(по третьему варианту), включающий корпус инклинометра с размещенной в нем карданной рамкой, ось вращения которой коллинеарна продольной оси корпуса инклинометра, груз-эксцентрик, размещенный на карданной рамке, два однокомпонентных магниточувствительных датчика, размещенных на карданной рамке, ось чувствительности одного из которых перпендикулярна плоскости, проходящей через ось вращения карданной рамки и центр тяжести груза-эксцентрика, а ось чувствительности второго перпендикулярна оси чувствительности первого датчика и оси вращения карданной рамки, и третий однокомпонентный магниточувствительный датчик, ось чувствительности которого коллинеарна оси вращения карданной рамки, снабжен однокомпонентным датчиком акселерометра, ось чувствительности которого коллинеарна оси вращения карданной рамки, и распределителем напряжений, который подключен к выводам первого и второго магниточувствительных датчиков, при этом третий магниточувствительный датчик и датчик акселерометра жестко связаны с корпусом инклинометра. The proposed inclinometer (according to the third embodiment), including the inclinometer case with a cardan frame located in it, the axis of rotation of which is collinear to the longitudinal axis of the inclinometer body, an eccentric load placed on the cardan frame, two one-component magnetosensitive sensors placed on the cardan frame, the sensitivity axis of one of which are perpendicular to the plane passing through the axis of rotation of the universal joint frame and the center of gravity of the eccentric load, and the sensitivity axis of the second is perpendicular to the sensitivity axis the first sensor and the axis of rotation of the universal joint frame, and the third one-component magnetosensitive sensor, the sensitivity axis of which is collinear to the axis of rotation of the universal joint frame, is equipped with a one-component accelerometer sensor, the sensitivity axis of which is collinear to the axis of rotation of the universal joint frame, and a voltage distributor that is connected to the terminals of the first and second magnetosensitive sensors while the third magnetosensitive sensor and the accelerometer sensor are rigidly connected to the inclinometer body.

Применение в предлагаемом техническом решении по первому варианту карданной рамки с грузом-эксцентриком, ось вращения которой коллинеарна продольной оси корпуса инклинометра, двух однокомпонентных магниточувствительных датчиков, размещенных на карданной рамке определенным образом, распределителя напряжений, подключенного к выводам этих датчиков, жестко связанных с корпусом инклинометра трехкомпонентного датчика акселерометра и трех однокомпонентных магниточувствительных датчиков с взаимно ортогональными осями чувствительности, а также коллинеарность оси вращения карданной рамки с одной из осей чувствительности датчика акселерометра и осью чувствительности одного из магниточувствительных датчиков, жестко связанных с корпусом инклинометра, обеспечивает определение как углового положения продольной оси корпуса инклинометра, а, значит, и углового положения скважины, так и углового положения корпуса инклинометра по используемым значениям измеренных составляющих вектора ускорения силы тяжести датчиком акселерометра и измеренных составляющих вектора магнитной индукции с помощью магниточувствительных датчиков при возможном изменении зенитного угла продольной оси корпуса инклинометра, а, значит, и скважины в диапазоне от 0^o до 180^o, азимутального угла продольной оси корпуса инклинометра в диапазоне от 0^o до 360^o и апсидального угла корпуса инклинометра в диапазоне от 0^o до 360^o. Кроме того, в предлагаемом инклинометре по сравнению с прототипом на карданной рамке размещены не три, а два однокомпонентных магниточувствительных датчика и отсутствуют два карданных подвеса, что упрощает конструкцию и снижает вес предлагаемого инклинометра.The use in the proposed technical solution according to the first embodiment of a cardan frame with an eccentric load, the axis of rotation of which is collinear to the longitudinal axis of the inclinometer body, two one-component magnetosensitive sensors placed on the cardan frame in a certain way, a voltage distributor connected to the terminals of these sensors rigidly connected to the body of the inclinometer a three-component accelerometer sensor and three one-component magnetosensitive sensors with mutually orthogonal sensitivity axes as well as the collinearity of the axis of rotation of the gimbal frame with one of the sensitivity axes of the accelerometer sensor and the sensitivity axis of one of the magnetically sensitive sensors rigidly connected to the inclinometer body, it determines both the angular position of the longitudinal axis of the inclinometer body and, therefore, the angular position of the well and the angular position of the inclinometer case according to the used values of the measured components of the gravity acceleration vector by the accelerometer sensor and the measured components of the magnet vector oh induction via magnetosensitive sensor during a possible change in the zenith angle to the longitudinal axis inclinometer body and, therefore, well within the range of from 0 ^o to 180 ^o, the azimuth angle to the longitudinal axis inclinometer body in the range from 0 ^o to 360 ^o and apsidal angle inclinometer housing in the range from 0 ^o to 360 ^o . In addition, in the proposed inclinometer compared with the prototype on the cardan frame are not three, but two one-component magnetosensitive sensors and two cardan suspensions are missing, which simplifies the design and reduces the weight of the proposed inclinometer.

Применение в предлагаемом техническом решении по второму варианту карданной рамки с грузом-эксцентриком, ось вращения которой коллинеарна продольной оси корпуса инклинометра, двух однокомпонентных магниточувствительных датчиков, размещенных на карданной рамке определенным образом, распределителя напряжений, подключенного к выводам этих датчиков, жестко связанных с корпусом инклинометра однокомпонентного датчика акселерометра и трех однокомпонентных магниточувствительных датчиков с взаимно ортогональными осями чувствительности, а также коллинеарность оси вращения карданной рамки с осью чувствительности датчика акселерометра и осью чувствительности одного из магниточувствительных датчиков, жестко связанных с корпусом инклинометра, обеспечивает определение как углового положения продольной оси корпуса инклинометра, а, значит, и углового положения скважины, так и углового положения корпуса инклинометра по используемым значениям измеренных составляющих вектора ускорения силы тяжести датчиком акселерометра и вектора магнитной индукции с помощью магниточувствительных датчиков при возможном изменении зенитного угла продольной оси корпуса инклинометра, а, значит, и скважины в диапазоне от 0^o до 180^o, азимутального угла продольной оси корпуса инклинометра в диапазоне от 0^o до 360^o и апсидального угла корпуса инклинометра в диапазоне от 0^o до 360^o. Кроме того, в предлагаемом техническом решении как и по первому варианту по сравнению с прототипом на карданной рамке размещены не три, а два однокомпонентных магниточувствительных датчика и отсутствуют два карданных подвеса, что упрощает конструкцию и снижает вес предлагаемого инклинометра.The use in the proposed technical solution according to the second embodiment of the cardan frame with an eccentric load, the axis of rotation of which is collinear to the longitudinal axis of the inclinometer body, two one-component magnetosensitive sensors placed on the cardan frame in a certain way, a voltage distributor connected to the terminals of these sensors rigidly connected to the inclinometer body one-component accelerometer sensor and three one-component magnetosensitive sensors with mutually orthogonal sensitivity axes as well as the collinearity of the axis of rotation of the gimbal frame with the sensitivity axis of the accelerometer sensor and the sensitivity axis of one of the magnetically sensitive sensors rigidly connected to the inclinometer body, it determines both the angular position of the longitudinal axis of the inclinometer body and, therefore, the angular position of the well and the angular position inclinometer case according to the used values of the measured components of the gravity acceleration vector by the accelerometer sensor and the magnetic induction vector using a magneto sensor ity of sensors with a possible change in the zenith angle to the longitudinal axis inclinometer body and, therefore, well within the range of from 0 ^o to 180 ^o, the azimuth angle to the longitudinal axis inclinometer body in the range from 0 ^o to 360 ^o and apsidal angle casing inclinometer in the range of from 0 ^o up to 360 ^o . In addition, in the proposed technical solution, as in the first embodiment, as compared with the prototype, not one, but two one-component magnetosensitive sensors are placed on the cardan frame and there are no two cardan suspensions, which simplifies the design and reduces the weight of the proposed inclinometer.

Применение в предлагаемом техническом решении по третьему варианту карданной рамки с грузом-эксцентриком, ось вращения которой коллинеарна продольной оси корпуса инклинометра, двух однокомпонентных магниточувствительных датчиков, размещенных на карданной рамке определенным образом, распределителя напряжений, подключенного к выводам этих датчиков, жестко связанных с корпусом инклинометра однокомпонентных датчика акселерометра и магниточувствительного датчика, оси чувствительности которых коллинеарны оси вращения карданной рамки, обеспечивает определение углового положения продольной оси корпуса инклинометра, а значит, и скважины по используемым значениям измерений составляющей вектора ускорения силы тяжести датчиком акселерометра и измеренных составляющих вектора магнитной индукции с помощью магниточувствительных датчиков при возможном изменении зенитного угла продольной оси корпуса инклинометра, а значит, и скважины в диапазоне от 0^o до 180^o и азимутального угла продольной оси корпуса инклинометра в диапазоне от 0^o до 360^o. Кроме того, в предлагаемом инклинометре по сравнению с прототипом на карданной рамке размещены не три, а два однокомпонентных магниточувствительных датчика, используются не пять, а четыре однокомпонентных датчика и отсутствуют два карданных подвеса, что упрощает конструкцию и снижает вес предлагаемого инклинометра.The use in the proposed technical solution according to the third embodiment of the gimbal frame with an eccentric load, the axis of rotation of which is collinear to the longitudinal axis of the inclinometer body, two one-component magnetosensitive sensors placed on the cardan frame in a certain way, a voltage distributor connected to the terminals of these sensors rigidly connected to the body of the inclinometer one-component accelerometer and magnetosensitive sensors, the sensitivity axes of which are collinear to the axis of rotation of the universal joint frame , provides the determination of the angular position of the longitudinal axis of the inclinometer body, and, therefore, the well from the used measurement values of the component of the acceleration gravity vector by the accelerometer sensor and the measured components of the magnetic induction vector using magnetically sensitive sensors with a possible change in the zenith angle of the longitudinal axis of the inclinometer body, and, therefore, wells in the range from 0 ^o to 180 ^o and the azimuthal angle of the longitudinal axis of the inclinometer body in the range from 0 ^o to 360 ^o . In addition, in the proposed inclinometer, compared to the prototype, on the cardan frame there are not three, but two one-component magnetosensitive sensors, not five but four one-component sensors are used and two cardan suspensions are missing, which simplifies the design and reduces the weight of the proposed inclinometer.

Таким образом, технический результат предлагаемого инклинометра выражается в упрощении конструкции и уменьшении веса инклинометра, а также в возможности измерения углового положения скважины и корпуса инклинометра, у которых в процессе бурения зенитный угол может изменяться в пределах от 0^o до 180^o.Thus, the technical result of the proposed inclinometer is expressed in simplifying the design and reducing the weight of the inclinometer, as well as in the ability to measure the angular position of the borehole and the inclinometer body, in which the zenith angle can vary from 0 ^o to 180 ^o during drilling.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующими графическими материалами. The essence of the invention is illustrated by the following graphic materials.

На фиг. 1 изображена структурная схема инклинометра по первому варианту. In FIG. 1 shows a structural diagram of an inclinometer according to the first embodiment.

На фиг. 2 изображена структурная схема инклинометра по второму варианту. In FIG. 2 shows a block diagram of an inclinometer according to the second embodiment.

На фиг. 3 изображена структурная схема инклинометра по третьему варианту. In FIG. 3 shows a block diagram of an inclinometer according to the third embodiment.

Предлагаемый инклинометр по первому варианту (фиг.1) состоит из корпуса инклинометра 1, карданной рамки 2, в которой ось вращения FF' коллинеарна продольной оси корпуса инклинометра 1 (на фиг.1 ось FF' совпадает с продольной осью корпуса инклинометра), груза-эксцентрика 3, размещенного на рамке 2, центр тяжести которого находится в точке А, к которой приложен вектор силы тяжести

груза-эксцентрика 3, два однокомпонентных магниточувствительных датчика 4 и 5, размещенных на рамке 2, распределителя напряжений 6, подключенного к выводам датчиков 4 и 5, трех однокомпонентных магниточувствительных датчиков 7-9 с взаимно ортогональными осями чувствительности и трехкомпонентного датчика акселерометра (датчика ускорения силы тяжести) 10, жестко связанных с корпусом 1, при этом ось чувствительности NN' датчика 7 и ось чувствительности LL' датчика 10 коллинеарны оси FF', которая коллинеарна оси O'Z', ось чувствительности датчика 5 O'Y'перпендикулярна плоскости, проходящей через ось FF' и центр тяжести А груза-эксцентрика 3, а ось чувствительности датчика 4 OX' перпендикулярна оси FF' и оси чувствительности O'Y' датчика 5.The proposed inclinometer according to the first embodiment (Fig. 1) consists of the body of the inclinometer 1, a cardan frame 2, in which the axis of rotation FF 'is collinear to the longitudinal axis of the body of the inclinometer 1 (in Fig. 1, the axis FF' coincides with the longitudinal axis of the body of the inclinometer), an eccentric 3 located on the frame 2, the center of gravity of which is at point A, to which the gravity vector is applied

eccentric load 3, two one-component magnetosensitive sensors 4 and 5 located on frame 2, a voltage distributor 6 connected to the terminals of sensors 4 and 5, three one-component magnetosensitive sensors 7-9 with mutually orthogonal sensitivity axes and a three-component accelerometer sensor (force acceleration sensor gravity) 10, rigidly connected with the housing 1, while the sensitivity axis NN 'of the sensor 7 and the sensitivity axis LL' of the sensor 10 are collinear to the axis FF ', which is collinear to the axis O'Z', the sensitivity axis of the sensor 5 O'Y'per endikulyarna plane passing through the axis FF 'and the center of gravity of the load-A cam 3, and the axis of sensitivity of the sensor 4 OX' perpendicular to the axis FF 'and the axis of sensitivity O'Y' sensor 5.

Предлагаемый инклинометр по второму варианту (фиг. 2) состоит из корпуса инклинометра 11, карданной рамки 12, у которой ось вращения FF' коллинеарна продольной оси корпуса инклинометра 11 (на фиг. 2 ось FF' совпадает с продольной осью корпуса инклинометра), груза-эксцентрика 13, размещенного на рамке 12, центр тяжести которого находится в точке А, к которой приложен вектор силы тяжести

груза-эксцентрика 13, два однокомпонентных магниточувствительных датчика 14 и 15, размещенных на рамке 12, распределителя напряжений 16, подключенного к выводам датчиков 14 и 15, трех однокомпонентных магниточувствительных датчиков 17-19 с взаимно ортогональными осями чувствительности и однокомпонентного датчика акселерометра 20, жестко связанных с корпусом 11, при этом ось чувствительности NN' датчика 17 и ось чувствительности LL' датчика 20 коллинеарны оси FF', которая коллинеарна оси O'Z', ось чувствительности датчика 15 O'Y' перпендикулярна плоскости, проходящей через ось FF' и центр тяжести А груза-эксцентрика 13, а ось чувствительности датчика 14 OX' перпендикулярна оси FF' и оси чувствительности O'Y' датчика 15.The proposed inclinometer according to the second embodiment (Fig. 2) consists of the body of the inclinometer 11, a cardan frame 12, in which the axis of rotation FF 'is collinear to the longitudinal axis of the body of the inclinometer 11 (in Fig. 2, the axis FF' coincides with the longitudinal axis of the body of the inclinometer), an eccentric 13 located on the frame 12, the center of gravity of which is at point A, to which the gravity vector is applied

eccentric load 13, two one-component magnetosensitive sensors 14 and 15, placed on the frame 12, a voltage distributor 16 connected to the terminals of the sensors 14 and 15, three one-component magnetosensitive sensors 17-19 with mutually orthogonal sensitivity axes and a one-component accelerometer sensor 20, rigidly connected with the housing 11, wherein the sensitivity axis NN 'of the sensor 17 and the sensitivity axis LL' of the sensor 20 are collinear to the axis FF ', which is collinear to the axis O'Z', the sensitivity axis of the sensor 15 O'Y 'is perpendicular to the plane, p ohodyaschey through the axis perpendicular to the axis FF FF 'and the axis of sensitivity O'Y' sensor 15 'and the center of gravity of the load-A cam 13 and sensor 14 is sensitive axis OX'.

Предлагаемый инклинометр по третьему варианту (фиг. 3) состоит из корпуса инклинометра 21, карданной рамки 22, у которой ось вращения FF' коллинеарна продольной оси корпуса инклинометра 21 (на фиг. 3 ось FF' совпадает с продольной осью корпуса инклинометра), груза-эксцентрика 23, размещенного на рамке 22, центр тяжести которого находится в точке А, к которой приложен вектор силы тяжести

груза-эксцентрика 23, два однокомпонентных магниточувствительных датчика 24 и 25, размещенных на рамке 22, распределителя напряжений 26, подключенного к выводам датчиков 24 и 25, однокомпонентного магниточувствительного датчика 27 и однокомпонентного датчика акселерометра 28, жестко связанных с корпусом 21, а ось чувствительности NN' датчика 27, ось чувствительности LL' датчика 28 и ось FF' коллинеарны оси O'Z', при этом ось чувствительности датчика 25 O'Y' перпендикулярна плоскости, проходящей через ось FF' и центр тяжести А груза-эксцентрика 23, а ось чувствительности датчика 24 OX' перпендикулярна оси FF' и оси чувствительности O'Y' датчика 25.The proposed inclinometer according to the third embodiment (Fig. 3) consists of the body of the inclinometer 21, a cardan frame 22, in which the axis of rotation FF 'is collinear to the longitudinal axis of the body of the inclinometer 21 (in Fig. 3, the axis FF' coincides with the longitudinal axis of the body of the inclinometer), an eccentric 23 located on the frame 22, the center of gravity of which is at point A, to which the gravity vector is applied

eccentric cargo 23, two one-component magnetosensitive sensors 24 and 25 located on the frame 22, a voltage distributor 26 connected to the terminals of the sensors 24 and 25, a one-component magnetosensitive sensor 27 and a one-component accelerometer sensor 28, rigidly connected to the housing 21, and the sensitivity axis NN 'of the sensor 27, the sensitivity axis LL' of the sensor 28 and the axis FF 'are collinear to the axis O'Z', while the sensitivity axis of the sensor 25 O'Y 'is perpendicular to the plane passing through the axis FF' and the center of gravity A of the eccentric load 23, and the axis feels the sensor 24 OX 'is perpendicular to the axis FF' and the sensitivity axis O'Y 'of the sensor 25.

Предлагаемый инклинометр работает следующим образом. Сигналы с датчиков 4, 5, 7-9 (фиг.1) для первого варианта, с датчиков 14, 15, 17-19 (фиг.2) для второго варианта и с датчиков 24, 25, 27 (фиг. 3) для третьего варианта пропорциональны проекциям вектора магнитной индукции геомагнитного поля на оси чувствительности этих датчиков (Ковшов Г. Н., Сергеев А.Н. Цифровой преобразователь азимута с непрерывной регистрацией./ Геофизическая аппаратура. Л. : Недра, 1980, вып. 70, с. 110-115; Афанасьев Ю.В. Феррозондовые преобразователи. Л.: Энергоатомиздат, 1986), а сигналы с датчика 10 (фиг. 1) для первого варианта пропорциональны проекциям вектора ускорения силы тяжести q_z, q_x,q_y на оси чувствительности этого датчика 10, сигнал с датчика 20 (фиг. 2) для второго варианта и сигнал с датчика 28 (фиг. 3) для третьего варианта пропорциональны проекции вектора ускорения силы тяжести q_z на оси чувствительности соответствующих датчиков (Шваб И.А., Селезнев А.В. Измерение угловых ускорений. М.: Машиностроение, 1983). Перед началом измерений устанавливают корпус инклинометра, например по уровню или отвесу, так, чтобы его продольная ось совпадала с вертикалью. Измеряют с помощью датчиков 7 (фиг. 1), 17 (фиг. 2), 27 (фиг.3) соответственно для первого, второго и третьего вариантов вертикальную составляющую B_ZT вектора магнитной индукции геомагнитного поля. Одновременно измеряют с помощью датчиков 8 и 9 (фиг. 1), 18 и 19 (фиг. 2), 24 и 25 (фиг.3) соответственно для первого, второго и третьего вариантов две горизонтальные составляющие B'_XT и B'_YT вектора геомагнитного поля. Затем определяют горизонтальную составляющую вектора магнитной индукции геомагнитного поля B_XT и угол магнитного наклонения J из следующих выражений

J = arctq B_XT/B_ZT
или

где знак "+" соответствует северному полушарию, а знак "-" - южному полушарию.The proposed inclinometer works as follows. Signals from sensors 4, 5, 7-9 (Fig. 1) for the first embodiment, from sensors 14, 15, 17-19 (Fig. 2) for the second variant, and from sensors 24, 25, 27 (Fig. 3) for The third option is proportional to the projections of the magnetic induction vector of the geomagnetic field on the sensitivity axis of these sensors (Kovshov G.N., Sergeev A.N. Digital azimuth converter with continuous recording. / Geophysical equipment. L.: Nedra, 1980, issue 70, p. 110-115; Afanasyev Yu.V. Fluxgate transducers. L .: Energoatomizdat, 1986), and the signals from the sensor 10 (Fig. 1) for the first option are proportional to the projection m of the gravity acceleration vector q _z , q _x , q _y on the sensitivity axis of this sensor 10, the signal from sensor 20 (Fig. 2) for the second option and the signal from sensor 28 (Fig. 3) for the third option are proportional to the projection of the force acceleration vector gravity q _z on the sensitivity axis of the respective sensors (Shvab I.A., Seleznev A.V. Measurement of angular accelerations. M .: Mashinostroenie, 1983). Before starting the measurements, the inclinometer case is installed, for example, by level or plumb, so that its longitudinal axis coincides with the vertical. Using the sensors 7 (FIG. 1), 17 (FIG. 2), 27 (FIG. 3), the vertical component B _ZT of the geomagnetic field magnetic induction vector, respectively, is measured for the first, second, and third variants, respectively. At the same time, using the sensors 8 and 9 (Fig. 1), 18 and 19 (Fig. 2), 24 and 25 (Fig. 3), respectively, for the first, second and third variants, two horizontal components of the B ' _XT and B' _YT vector geomagnetic field. Then determine the horizontal component of the magnetic induction vector of the geomagnetic field B _XT and the angle of magnetic inclination J from the following expressions

J = arctq B _XT / B _ZT
or

where the “+” sign corresponds to the northern hemisphere and the “-” sign to the southern hemisphere.

Магнитное наклонение J для данной местности постоянно и слабо изменяется от долготы и широты (Кожухов В.П., Воронов В.В., Григорьев В.В. Магнитные компасы. М.: Транспорт, 1981). The magnetic inclination J for a given area is constantly and weakly changing from longitude and latitude (Kozhukhov V.P., Voronov V.V., Grigoryev V.V. Magnetic compasses. M .: Transport, 1981).

Отпускают инклинометр в скважину. Ось вращения FF' рамки 2 (фиг. 1), рамки 12 (фиг. 2), рамки 22 (фиг. 3) соответственно для первого, второго и третьего вариантов коллинеарна продольной оси корпуса инклинометра, которая совпадает с осью буровой скважины. Отклонение оси FF' от вертикали соответствует и отклонению скважины от вертикали. The inclinometer is released into the well. The axis of rotation FF 'of frame 2 (Fig. 1), frame 12 (Fig. 2), frame 22 (Fig. 3), respectively, for the first, second and third options is collinear to the longitudinal axis of the inclinometer body, which coincides with the axis of the borehole. The deviation of the axis FF 'from the vertical corresponds to the deviation of the well from the vertical.

Далее инклинометр (фиг. 1) по первому варианту работает следующим образом. Под действием груза-эксцентрика 3 рамка 2 поворачивается вокруг оси FF' так, что плоскость наклона скважины, проходящая через центр тяжести А груза-эксцентрика 3 и ось вращения рамки FF', будет перпендикулярна оси чувствительности O'Y' датчика 5, при этом ось чувствительности OX' датчика 4 будет лежать в этой плоскости, а это значит, что она перпендикулярна осям O'Y' и FF'. Проекции вектора магнитной индукции геомагнитного поля на оси чувствительности датчиков 4, 5, 7-9 будут иметь следующий вид:
B_x4= -B_xтcosαcosγ+Β_zтsinγ;
B_y5= B_xтsinα;
B_z7= B_хтcosαsinγ+B_zтcosγ;
B_x8= (B_zтsinγ-B_xтcosαcosγ)sinβ-B_xтsinαcosβ;
B_y9= B_xтsinαsinβ+(B_zтsinγ-B_xтcosαcosγ)cosβ;
где B_x4, B_y5, B_z7, B_x8, B_y9 -проекции вектора магнитной индукции геомагнитного поля на оси чувствительности соответствующих датчиков 4, 5, 7-9; B_XT и B_ZT - проекции вектора магнитной индукции геомагнитного поля на оси выбранной опорной системы координат OXYZ, у которой ось OX совпадает с направлением горизонтальной составляющей вектора магнитной индукции B_XT геомагнитного поля, касательного к магнитному меридиану и направленного на северный магнитный полюс, ось OZ направлена по вертикали вниз, а ось OY перпендикулярна осям OX и OZ и направлена в сторону востока; α и γ - азимутальный и зенитный углы скважины или продольной оси корпуса инклинометра, а β - аспидальный угол корпуса инклинометра (Ковшов Г.Н., Алимбеков Р.И., Сираев А. Х. Инклинометр для определения скважины и направления отклонителя. /Геофизическая аппаратура. Л.: Недра, 1977, Вып. 62, с. 120-125).Next, the inclinometer (Fig. 1) according to the first embodiment works as follows. Under the action of the eccentric load 3, the frame 2 is rotated around the axis FF 'so that the inclination plane of the well passing through the center of gravity A of the eccentric load 3 and the axis of rotation of the frame FF' is perpendicular to the sensitivity axis O'Y 'of the sensor 5, while the axis the sensitivity OX 'of the sensor 4 will lie in this plane, which means that it is perpendicular to the axes O'Y' and FF '. The projections of the magnetic induction vector of the geomagnetic field on the sensitivity axis of the sensors 4, 5, 7-9 will have the following form:
B _x4 = -B _xt cosαcosγ + Β _zt sinγ;
B _y5 = B _xt sinα;
B _z7 = B _xt cosαsinγ + B _zt cosγ;
B _x8 = (B _zt sinγ-B _xt cosαcosγ) sinβ-B _xt sinαcosβ;
B _y9 = B _xt sinαsinβ + (B _zt sinγ-B _xt cosαcosγ) cosβ;
where B _x4 , B _y5 , B _z7 , B _x8 , B _{y9 are the} projections of the geomagnetic field magnetic induction vector on the sensitivity axis of the respective sensors 4, 5, 7-9; B _XT and B _ZT are the projections of the magnetic induction vector of the geomagnetic field on the axis of the selected reference coordinate system OXYZ, in which the OX axis coincides with the direction of the horizontal component of the magnetic induction vector B _{XT of the} geomagnetic field tangent to the magnetic meridian and directed to the north magnetic pole, axis OZ It is directed vertically downward, and the OY axis is perpendicular to the OX and OZ axes and is directed towards the east; α and γ are the azimuthal and zenith angles of the borehole or the longitudinal axis of the inclinometer body, and β is the aspidual angle of the inclinometer body (Kovshov G.N., Alimbekov R.I., Siraev A. Kh. Inclinometer for determining the borehole and direction of the deflector. / Geophysical apparatus.Leningrad: Nedra, 1977, Issue 62, pp. 120-125).

Из первого и третьего уравнений определяют по два значения косинуса и синуса зенитного угла из следующих выражений

sinγ₁= (B_zт-B_z7cosγ₁)/B_x4;
sinγ₂= (B_zт-B_z7cosγ₂)/B_x4;
Вектор ускорения силы тяжести перпендикулярен горизонтальной плоскости, поэтому по измеренным проекциям вектора ускорения силы тяжести q_x,q_y,q_z, находят модуль косинуса зенитного угла

Затем определяют разности модулей

Действительное значение cosγ₁ или cosγ₂ будет соответствовать той разности, которая равна нулю или имеет по модулю наименьшее значение. По cosγ определяют sinγ, а затем и угол γ из следующих выражений:

Значение sinα определяют из второго уравнения для B_y5
sinα = B_y5/B_xт,
а значение cosα определяют из первого или третьего уравнения

При каждом измерении проекций вектора магнитной индукции B_x8, B_y9, B_z7 можно осуществить корректировку значений B_XT и B_ZT следующим образом:

Подставляя значения углов α и γ в уравнения, описывающие значения B_x8 и B_y9, определяют значение угла β. Углы α и γ определяют угловое положение скважины, а совокупность углов α, γ и β - угловое положение корпуса инклинометра.From the first and third equations, two values of the cosine and sine of the zenith angle are determined from the following expressions

sinγ ₁ = (B _zt -B _z7 cosγ ₁ ) / B _x4 ;
sinγ ₂ = (B _zt -B _z7 cosγ ₂ ) / B _x4 ;
The gravity acceleration vector is perpendicular to the horizontal plane, therefore, from the measured projections of the gravity acceleration vector q _x , q _y , q _z , find the cosine modulus of the zenith angle

Then determine the differences of the modules

The actual value of cosγ ₁ or cosγ ₂ will correspond to the difference that is equal to zero or has the smallest value in absolute value. Cosγ determines sinγ, and then the angle γ from the following expressions:

The value of sinα is determined from the second equation for B _y5
sinα = B _y5 / B _xт ,
and cosα is determined from the first or third equation

With each measurement of the projections of the magnetic induction vector B _x8 , B _y9 , B _z7, you can adjust the values of B _XT and B _ZT as follows:

Substituting the values of the angles α and γ in the equations describing the values of B _x8 and B _y9 , determine the value of the angle β. The angles α and γ determine the angular position of the well, and the combination of angles α, γ, and β determines the angular position of the inclinometer body.

Инклинометр (фиг. 2) по второму варианту работает следующим образом. Под действием груза-эксцентрика 13 рамка 12 поворачивается вокруг оси FF' так, что плоскость наклона скважины, проходящая через центр тяжести А груза-эксцентрика 13 и ось вращения рамки FF', будет перпендикулярна оси чувствительности O'Y' датчика 15. при этом ось чувствительности OX' датчика 14 будет лежать в этой плоскости, а это значит, что она перпендикулярна осям O'Y' и FF'. По измеренным значениям проекций вектора магнитной индукции датчиками 14, 15, 17-19 (фиг. 2) определяют аналогично как и для первого варианта два значения косинуса, два значения синуса зенитного угла и синус азимутального угла из следующих выражений:

sinγ₁= (B_zт-B_z17cosγ₁)/Β_x14;
sinγ₂= (B_zт-B_z17cosγ₂)/Β_x14;
sinα = B_y15/B_xт,
где B_X14, B_Y15, B_Z15 -проекции вектора магнитной индукции геомагнитного поля на оси чувствительности соответствующих датчиков 14, 15, 17.The inclinometer (Fig. 2) according to the second embodiment works as follows. Under the action of the eccentric load 13, the frame 12 rotates around the axis FF 'so that the inclination plane of the well passing through the center of gravity A of the eccentric load 13 and the axis of rotation of the frame FF' is perpendicular to the sensitivity axis O'Y 'of the sensor 15. wherein the axis sensitivity OX 'of the sensor 14 will lie in this plane, which means that it is perpendicular to the axes O'Y' and FF '. From the measured values of the projections of the magnetic induction vector, the sensors 14, 15, 17-19 (Fig. 2) determine in the same way as for the first embodiment, two cosine values, two values of the sine of the zenith angle and the sine of the azimuth angle from the following expressions:

sinγ ₁ = (B _zt -B _z17 cosγ ₁ ) / Β _x14 ;
sinγ ₂ = (B _zt -B _z17 cosγ ₂ ) / Β _x14 ;
sinα = B _y15 / B _xт ,
where B _X14 , B _Y15 , B _{Z15 are the projections} of the magnetic induction vector of the geomagnetic field on the sensitivity axis of the corresponding sensors 14, 15, 17.

Модуль вектора силы тяжести изменяется от географической широты, в частности, от полюса до экватора на 0,55% (Яворский Б.М., Детлав А.А. Справочник по физике. М. : 1974, с. 48) и от поверхности Земли на глубину 3000 м не более 0,1%. Поэтому за модуль вектора ускорения силы тяжести, который обозначен через q, можно взять стандартное (нормальное) значение, принятое для барометрических расчетов, равное 9,80665 м/с² или 9,81 м/с². В таком случае, по значению q_Z, измеренному датчиком 20 (фиг. 2) и известному значению q находят модуль косинуса зенитного угла

Затем определяют углы γ и α аналогично как и по первому варианту.The magnitude of the vector of gravity varies from geographical latitude, in particular, from the pole to the equator by 0.55% (Yavorsky B.M., Detlav A.A. Physics Handbook. M.: 1974, p. 48) and from the Earth's surface to a depth of 3000 m not more than 0.1%. Therefore, for the module of the gravity acceleration vector, which is denoted by q, we can take the standard (normal) value adopted for barometric calculations, equal to 9.80665 m / s ² or 9.81 m / s ² . In this case, the q _z value measured by the sensor 20 (Fig. 2) and the known q value are used to find the cosine modulus of the zenith angle

Then the angles γ and α are determined in the same way as in the first embodiment.

Значение угла β определяют из уравнений:
B_x18= (B_zтsinγ-B_xтcosαcosγ)sinβ-B_xтsinαcosβ;
B_y19= (B_zтsinγ-B_xтcosαcosγ)cosβ+B_xтsinαsinβ,
где B_x18 и B_y19 - проекции вектора магнитной индукции геомагнитного поля, измеренные датчиками 18 и 19 (фиг. 2). Углы α и γ определяют угловое положение скважины, а совокупность углов α, γ, β - угловое положение корпуса инклинометра.The value of the angle β is determined from the equations:
B _x18 = (B _zt sinγ-B _xt cosαcosγ) sinβ-B _xt sinαcosβ;
B _y19 = (B _zt sinγ-B _xt cosαcosγ) cosβ + B _xt sinαsinβ,
where B _x18 and B _y19 are the projections of the magnetic induction vector of the geomagnetic field, measured by sensors 18 and 19 (Fig. 2). The angles α and γ determine the angular position of the well, and the combination of angles α, γ, β - the angular position of the inclinometer body.

При каждом измерении проекций вектора магнитной индукции B_z17, B_x18, B_y19 можно осуществлять корректировку значений B_XT и B_ZT следующим образом

Инклинометр (фиг.3) по третьему варианту работает следующим образом. Под действием груза-эксцентрика 23 рамка 22 поворачивается вокруг оси FF' так, что плоскость наклона скважины, проходящая через центр тяжести А груза-эксцентрика 23 и ось вращения FF' рамки 22 будет перпендикулярна оси чувствительности O'Y' датчика 25, при этом ось чувствительности OX' датчика 24 будет лежать в этой плоскости, а это значит, что эта ось перпендикулярна осям O'Y' и FF'.With each measurement of the projections of the magnetic induction vector B _z17 , B _x18 , B _y19, you can adjust the values of B _XT and B _ZT as follows

The inclinometer (figure 3) according to the third embodiment works as follows. Under the action of the eccentric load 23, the frame 22 rotates around the axis FF 'so that the inclination plane of the well passing through the center of gravity A of the eccentric load 23 and the rotation axis FF' of the frame 22 will be perpendicular to the sensitivity axis O'Y 'of the sensor 25, while the axis sensitivity OX 'of the sensor 24 will lie in this plane, which means that this axis is perpendicular to the axes O'Y' and FF '.

По измеренным проекциям вектора магнитной индукции датчиками 24, 25, 27 (фиг. 3) и составляющей вектора ускорения силы тяжести q_z датчиком 28 определяют аналогично как и для второго варианта два значения косинуса, два значения синуса зенитного угла, синус азимутального угла и модель косинуса зенитного угла из следующих выражений:

sinγ₁= (B_zт-B_z27cosγ₁)/B_x24;
sinγ₂= (B_zт-B_z27cosγ₂)/B_x24;
sinα = B_y25/B_xт;

где B_x24, B_y25, B_z27 - проекции вектора магнитной индукции геомагнитного поля на оси чувствительности соответствующих датчиков 24, 25 и 27. Из полученных уравнений определяют углы α и γ аналогично как и для инклинометра по первому и второму вариантам. Азимутальный угол α и зенитный угол γ определяют угловое положение скважины.Using the measured projections of the magnetic induction vector by sensors 24, 25, 27 (Fig. 3) and the component of the acceleration vector q _{z with} sensor 28, two cosines, two sine values of the zenith angle, the sine of the azimuthal angle and the model of the cosine are determined in the same way as for the second option zenith angle of the following expressions:

sinγ ₁ = (B _zt -B _z27 cosγ ₁ ) / B _x24 ;
sinγ ₂ = (B _zt -B _z27 cosγ ₂ ) / B _x24 ;
sinα = B _y25 / B _xt ;

where B _x24 , B _y25 , B _z27 are the projections of the geomagnetic field magnetic induction vector on the sensitivity axis of the corresponding sensors 24, 25, and 27. The angles α and γ are determined from the obtained equations in the same way as for the inclinometer according to the first and second variants. The azimuthal angle α and the zenith angle γ determine the angular position of the well.

При каждом измерении проекций вектора магнитной индукции B_x24, B_y25, B_z27 можно осуществлять корректировку значений B_XT и B_ZT следующим образом

В инклинометре (его вариантах) сигналы, пропорциональные измеренным проекциям вектора магнитной индукции, с датчиков 4 и 5 (фиг. 1) для первого варианта, с датчиков 14 и 15 (фиг. 2) для второго варианта, с датчиков 24 и 25 (фиг.3) для третьего варианта подаются на соответствующий распределитель напряжений 6 (фиг. 1) для первого варианта, 16 (фиг. 2) для второго варианта, 26 (фиг. 3) для третьего варианта, каждый из которых обеспечивает подачу упомянутых сигналов на устройство обработки информации.With each measurement of the projections of the magnetic induction vector B _x24 , B _y25 , B _z27, you can adjust the values of B _XT and B _ZT as follows

In the inclinometer (its variants), signals proportional to the measured projections of the magnetic induction vector from sensors 4 and 5 (Fig. 1) for the first option, from sensors 14 and 15 (Fig. 2) for the second option, from sensors 24 and 25 (Fig. .3) for the third variant, they are supplied to the corresponding voltage distributor 6 (Fig. 1) for the first variant, 16 (Fig. 2) for the second variant, 26 (Fig. 3) for the third variant, each of which provides the mentioned signals to the device information processing.

Таким образом, техническое решение по первому и второму вариантам обеспечивает определение углового положения как скважины, так и корпуса инклинометра, а по третьему варианту - углового положения скважины. Наличие в предлагаемом техническом решении по сравнению с прототипом только одной карданной рамки с осью вращения, коллинеарной оси скважины, упрощает конструкцию и снижает вес инклинометра. Кроме того, предлагаемый инклинометр (его варианты) обеспечивает возможность определения углового положения скважины любого направления, то есть при изменении ее зенитного угла от 0^o до 180^o и азимутального угла от 0^o до 360^o, при этом инклинометр по первому и второму вариантам кроме определения углового положения скважины обеспечивает определение углового положения корпуса инклинометра при изменении апсидального угла от 0^o до 360^o.Thus, the technical solution according to the first and second options provides the determination of the angular position of both the well and the inclinometer body, and according to the third option, the angular position of the well. The presence in the proposed technical solution in comparison with the prototype of only one cardan frame with the axis of rotation, the collinear axis of the well, simplifies the design and reduces the weight of the inclinometer. In addition, the proposed inclinometer (its variants) provides the ability to determine the angular position of the well in any direction, that is, when changing its zenith angle from 0 ^o to 180 ^o and the azimuth angle from 0 ^o to 360 ^o , while the inclinometer according to the first and second options except determine the angular position of the well provides a determination of the angular position of the body of the inclinometer when changing the apsidal angle from 0 ^o to 360 ^o .

Использование в заявляемом инклинометре (его вариантах) вычислительного блока позволит автоматизировать процесс определения углового положения скважины и углового положения корпуса инклинометра. Для этого выводы датчиков предлагаемого инклинометра (его вариантов) следует подключить через усилительно-преобразовательные блоки, например, к преобразователю измерительному многоканальному (ПИМ-1, сертификат N 15660-96, Госстандарт России), разработанному АО "АТИС" (г.С.-Петербург). В предлагаемом техническом решении магниточувствительные датчики в совокупности с услительно-преобразовательными блоками (каждый блок состоит из усилителя, синхронного детектора и генератора переменной ЭДС) могут быть выполнены аналогично как и в известном устройстве (Афанасьев Ю.В. Феррозондовые приборы. Л.: Энергоатомиздат, 1986, с. 108-110, 117, 127-139, 162-168; Ковшов Г.Н., Сергеев А.П. Цифровой преобразователь азимута с непрерывной регистрацией. /Геофизическая аппаратура. Л. : Недра, 1980, вып.70, с.112), распределитель напряжений может быть реализован аналогично как и в инклинометре (Ковшов Г.Н., Сергеев А.П. Цифровой преобразователь азимута с непрерывной регистрацией/ Геофизическая аппаратура. Л. : Недра, 1980, вып. 70, с.110-115), а датчики акселерометров могут быть выполнены аналогично известным датчикам акселерометров (Мельников В.Е. Электромеханические преобразователи на базе кварцевого стекла. М.: Машиностроение, 1984, с. 22-27, 105-112, 118-119; Шваб И.А., Селезнев А.В. Измерение угловых ускорений. М.: Машиностроение, 1983). В предлагаемом инклинометре (его вариантах) могут быть использованы датчики акселерометров, измеряющие как постоянное ускорение силы тяжести, так и только изменение постоянного ускорения, а также двухкомпонентные и трехкомпонентные магниточувствительные датчики с совмещенными магнитными центрами вместо двух однокомпонентных датчиков, размещенных на карданной рамке, и однокомпонентных магниточувствительных датчиков по первому и второму вариантам, жестко связанных с корпусом инклинометра (Афанасьев Ю.В. Феррозондовые приоры, Л,: Энергоатомиздат, 1986, с. 55). The use of the computing unit in the inventive inclinometer (its variants) will automate the process of determining the angular position of the well and the angular position of the inclinometer body. For this, the conclusions of the sensors of the proposed inclinometer (its variants) should be connected via amplifying and converting units, for example, to a multi-channel measuring converter (PIM-1, certificate N 15660-96, Gosstandart of Russia) developed by ATIS JSC (g. S.- Petersburg). In the proposed technical solution, magnetosensitive sensors in combination with amplification-conversion units (each unit consists of an amplifier, a synchronous detector and a variable emf generator) can be performed similarly to the known device (Afanasyev Yu.V. Ferrozond devices. L .: Energoatomizdat, 1986, pp. 108-110, 117, 127-139, 162-168; Kovshov G.N., Sergeev A.P. Digital azimuth converter with continuous recording./ Geophysical equipment. L.: Nedra, 1980, issue 70 , p.112), a voltage distributor can be implemented ana as in the inclinometer (Kovshov GN, Sergeev AP Digital azimuth converter with continuous recording / Geophysical equipment. L.: Nedra, 1980, issue 70, pp. 110-115), and accelerometer sensors can be made similar to the known sensors of accelerometers (V. Melnikov Electromechanical converters based on quartz glass. M: Mashinostroenie, 1984, pp. 22-27, 105-112, 118-119; Shvab I.A., Seleznev A.V. Measurement of angular accelerations. M.: Mechanical Engineering, 1983). In the proposed inclinometer (its variants), accelerometer sensors can be used that measure both constant acceleration of gravity and only the change in constant acceleration, as well as two-component and three-component magnetosensitive sensors with combined magnetic centers instead of two one-component sensors placed on a cardan frame, and one-component magnetosensitive sensors according to the first and second options, rigidly connected with the body of the inclinometer (Afanasyev Yu.V. Fluxgate priors, L ,: Ener goatomizdat, 1986, p. 55).

Claims

1. Inclinometer, including the inclinometer case with a cardan frame placed in it, the axis of rotation of which is collinear to the longitudinal axis of the inclinometer body, an eccentric load placed on the cardan frame, two one-component magnetosensitive sensors placed on the cardan frame, the sensitivity axis of one of which is perpendicular to the plane, passing through the axis of rotation of the cardan frame and the center of gravity of the eccentric load, and the sensitivity axis of the second is perpendicular to the sensitivity axis of the first sensor and the axis of rotation of the car this frame, the third one-component magnetosensitive sensor, the sensitivity axis of which is collinear to the axis of rotation of the cardan frame, the fourth and fifth one-component magnetosensitive sensors with mutually orthogonal sensitivity axes, characterized in that it is equipped with a three-component accelerometer sensor with mutually orthogonal sensitivity axes and a voltage distributor that is connected to a voltage distributor, which is connected to the conclusions of the first and second magnetosensitive sensors, while the third, fourth, fifth magnetosensitive The sensors and the three-component accelerometer sensor are rigidly connected to the inclinometer body, the sensitivity axis of the third sensor is perpendicular to the sensitivity axes of the fourth and fifth sensors, and one of the sensitivity axes of the accelerometer sensor is collinear to the axis of rotation of the gimbal frame.

2. An inclinometer, including the inclinometer case with a cardan frame placed in it, the axis of rotation of which is collinear to the longitudinal axis of the inclinometer case, an eccentric load placed on the cardan frame, two one-component magnetosensitive sensors placed on the cardan frame, the sensitivity axis of one of which is perpendicular to the plane, passing through the axis of rotation of the cardan frame and the center of gravity of the eccentric load, and the sensitivity axis of the second is perpendicular to the sensitivity axis of the first sensor and the axis of rotation of the car this frame, a third one-component magnetosensitive sensor, the sensitivity axis of which is collinear to the axis of rotation of the cardan frame, the fourth and fifth one-component magnetosensitive sensors with mutually orthogonal sensitivity axes, characterized in that it is equipped with a one-component accelerometer sensor, the sensitivity axis of which is collinear with the axis of rotation of the cardan frame, and voltage, which is connected to the terminals of the first and second magnetosensitive sensors, while the third, fourth The fifth, magneto-sensitive sensors and the accelerometer sensor are rigidly connected to the inclinometer body, and the sensitivity axis of the third sensor is perpendicular to the sensitivity axes of the fourth and fifth sensors.

3. Inclinometer, including the inclinometer case with a gimbal frame placed in it, the axis of rotation of which is collinear to the longitudinal axis of the inclinometer body, an eccentric load placed on the gimbal frame, two one-component magnetosensitive sensors placed on the gimbal frame, the sensitivity axis of one of which is perpendicular to the plane, passing through the axis of rotation of the cardan frame and the center of gravity of the eccentric load, and the sensitivity axis of the second is perpendicular to the sensitivity axis of the first sensor and the axis of rotation of the car this frame, and the third one-component magnetosensitive sensor, the sensitivity axis of which is collinear to the axis of rotation of the universal joint frame, characterized in that it is equipped with a one-component accelerometer sensor, the sensitivity axis of which is collinear to the axis of rotation of the universal joint frame, and a voltage distributor that is connected to the terminals of the first and second magnetosensitive sensors while the third magnetosensitive sensor and the accelerometer sensor are rigidly connected to the inclinometer body.